小麥制粉車間空壓機(jī)余熱綜合利用系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

曹維讓，王保法，陳 潔，呂瑩果

（1.鄭州華森糧食工程有限公司，鄭州 450052；2.河南海弗星換熱科技有限公司,河南 新鄉(xiāng) 453000；3.河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院，鄭州 450052）

隨著環(huán)境保護(hù)意識的逐漸強(qiáng)化，國家近年來出臺了一系列節(jié)能減排的工作方針、政策，進(jìn)一步完善節(jié)能減排工作。根據(jù)國務(wù)院2013年國發(fā)〔2013〕37號《關(guān)于印發(fā)大氣污染防治行動計劃的通知》文件精神，2019年底前，除保留必要的應(yīng)急和調(diào)峰燃煤采暖鍋爐外，各市建成區(qū)和有條件的縣城要完成10t/h及以下燃煤鍋爐淘汰工作，禁止新建20 t/h及以下燃煤鍋爐；其它城鎮(zhèn)建成區(qū)不再新建10 t/h及以下的燃煤鍋爐[1]?，F(xiàn)有的小麥制粉車間一般建在城市遠(yuǎn)郊或農(nóng)村，缺少城市配套的電廠余熱蒸汽管道，甚至天然氣管道也相對較少。散煤禁燒后，麩皮、小包裝面粉烘干采用電及天然氣直接加熱空氣或電及天然氣加熱水制成蒸汽，再加熱麩皮、小包裝面粉，采取電或天然氣制熱烘干，成本相對較高，企業(yè)負(fù)擔(dān)增大，產(chǎn)品利潤降低[2]。因此，節(jié)能降耗是面粉企業(yè)亟待解決的問題，在工藝流程和設(shè)備選型等方面既要考慮現(xiàn)代化、自動化、智能化，也要綜合考慮企業(yè)運(yùn)行成本和經(jīng)濟(jì)效益，采用節(jié)能新技術(shù)，做好節(jié)能降耗工作，企業(yè)才可實(shí)現(xiàn)持續(xù)降本增效，提高產(chǎn)品的市場競爭力[3-4]。

小麥制粉車間需要熱能的主要是潤麥和干燥環(huán)節(jié)。小麥在制粉過程中，需要對清理過的干小麥進(jìn)行加水潤麥，經(jīng)過加水的小麥在潤麥倉靜置18～36 h后，在制粉過程中小麥皮層與胚乳更易分離，有利于提高出粉率及高等級粉的出率。長江以北地區(qū)的冬季環(huán)境寒冷，潤麥添加冷水時，潤麥效果不理想，不利于小麥制粉，需要提高車間室內(nèi)溫度或用溫水進(jìn)行潤麥[5-6]，目前靠電能直接加熱水溫或蒸汽加熱水溫。小麥制粉工藝具有獨(dú)特性，在制粉過程中逐級研磨及篩理，前路到后路的面粉水分逐步降低，且麩皮的水分最高，夏季室外環(huán)境溫度高的情況下，不利于高水分產(chǎn)品的長期儲存及運(yùn)輸，在不影響制粉工藝的基礎(chǔ)上，需要對麩皮及小包裝面粉進(jìn)行烘干，提高其保質(zhì)期[7]，而電能加熱能耗較高，據(jù)調(diào)查，在小麥制粉過程中，能源消耗占小麥生產(chǎn)總成本的6%，其中電費(fèi)占產(chǎn)品總加工費(fèi)用的 30%[8]，若能減少此部分熱能的電耗，將有效降低生產(chǎn)成本。

小麥制粉過程中，由于自動化程度的提高，許多氣動裝置需要高壓氣源做動力，尤其是高壓脈沖、色選機(jī)、流量秤和打包機(jī)等用氣量大的設(shè)備的使用，空壓機(jī)的數(shù)量增多、配備的型號及功率增大，空壓機(jī)在運(yùn)行過程中，空氣壓縮機(jī)從空氣中吸入空氣，經(jīng)過壓縮后將高壓空氣排出，這一過程不但提高了空氣的壓縮勢能，同時產(chǎn)生了大量的熱量，而真正用于增加空氣勢能所消耗的電能，在總耗電量中只占約20%，大約80%的電能轉(zhuǎn)換為熱量。需要指出的是，由于壓縮機(jī)內(nèi)部循環(huán)對油溫有要求，加上不同溫度的熱值不同，換熱器換熱效率不同，根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，可以被利用熱量折合壓縮機(jī)軸功率約為88%，如果將這部分熱量回收，可節(jié)省大量能源費(fèi)用。

現(xiàn)實(shí)中一方面需要熱能加熱烘干或制熱水，另一方面是熱能直接浪費(fèi)掉。如何利用熱泵新技術(shù)使這部分熱能得到綜合利用，把空壓機(jī)排掉的熱能重新利用起來。熱泵(Heat Pump)是一種將低位熱源的熱能轉(zhuǎn)移到高位熱源的高效節(jié)能裝置，也是全世界倍受關(guān)注的新能源技術(shù)，在眾多領(lǐng)域得到應(yīng)用[9-12]。河南海弗星換熱科技有限公司與鄭州華森糧食工程有限公司共同合作，經(jīng)過多年的潛心研究，結(jié)合小麥制粉工藝、板式（殼管）換熱技術(shù)、高溫水源熱泵技術(shù)等綜合技術(shù)，開發(fā)了一套小麥制粉車間空壓機(jī)余熱能源綜合利用解決方案，形成了智能控制專利技術(shù)與高溫水源熱泵熱風(fēng)機(jī)專利技術(shù)。本文通過對小麥制粉車間熱能進(jìn)行計算與分析，設(shè)計空壓機(jī)余熱綜合利用方案，采用獨(dú)特?zé)崮芑厥?、儲存、輸送和轉(zhuǎn)換，對制粉車間空壓機(jī)余熱進(jìn)行綜合利用，變廢為寶。

1 小麥制粉車間熱能計算與分析

1.1 空壓機(jī)工作原理及熱量的產(chǎn)生

圖1為空壓機(jī)的工作原理圖，空壓機(jī)是一種用以壓縮氣體的設(shè)備。在空壓機(jī)工作過程中，電動機(jī)在電能作用下，對空壓機(jī)系統(tǒng)做功，使系統(tǒng)內(nèi)能增加，表現(xiàn)為油溫和壓縮氣體溫度升高。

圖1 空壓機(jī)工作原理圖[13]

為保證空壓機(jī)潤滑油三大功能正常發(fā)揮，空壓機(jī)運(yùn)行溫度有一個合理、最佳溫度范圍：60～85℃。

如果空壓機(jī)工作超過85℃，則空壓機(jī)機(jī)油有老化、結(jié)焦趨向，潤滑效果降低，密封效果變差，從而導(dǎo)致空壓機(jī)故障，影響空壓機(jī)正常運(yùn)行；而當(dāng)空壓機(jī)工作溫度低于60℃時，壓縮空氣中的水分有凝結(jié)于潤滑油中的趨向，潤滑油中的水分使油品乳化變質(zhì)，潤滑效果變差，影響空壓機(jī)的正常運(yùn)行。因此，將空壓機(jī)工作溫度控制在合理范圍內(nèi)，工作溫度的相對穩(wěn)定，有利于空壓機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，有利于延長空壓機(jī)的使用壽命。多數(shù)空壓機(jī)制造廠家出廠機(jī)組設(shè)定風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)溫度為85℃啟動，風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)溫度為75℃停止。螺桿空壓機(jī)的產(chǎn)氣量會隨著機(jī)組運(yùn)行溫度的升高而降低。在實(shí)際使用中，空壓機(jī)的機(jī)械效率不會穩(wěn)定在80℃標(biāo)定的產(chǎn)氣量上工作。溫度每上升1℃，產(chǎn)氣量就下降0.5%，溫度升高10℃，產(chǎn)氣量就下降5%。一般風(fēng)冷散熱的空壓機(jī)都在88～96℃間運(yùn)行，其降幅都在4%～8%，夏天更甚。

若能將此熱能利用改造，使空壓機(jī)組排氣運(yùn)行溫度和油溫均控制在最佳溫度范圍以內(nèi)，降低螺桿空壓機(jī)散熱風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)時間，節(jié)約電能，同時，也能更好地保證空壓機(jī)正常運(yùn)行和產(chǎn)氣量。圖2所示為空壓機(jī)熱量構(gòu)成。

圖2 空壓機(jī)熱量構(gòu)成圖

空氣壓縮機(jī)作為制造行業(yè)的能耗大戶，受到越來越多的關(guān)注，節(jié)能潛力巨大。從壓縮機(jī)的生命周期成本結(jié)構(gòu)分析，節(jié)能重心在能耗。壓縮機(jī)在工礦企業(yè)的平均耗能占整個企業(yè)能耗的30%左右，部分行業(yè)的壓縮機(jī)耗電量占總耗電量的比例高達(dá)70%。壓縮機(jī)由于自身工作特性，運(yùn)行過程中將產(chǎn)生大量的壓縮熱能，其中2%的壓縮熱被輻射損失；9%的熱量被電機(jī)帶走，4%的壓縮熱殘留在壓縮空氣內(nèi)，并進(jìn)入工廠的空氣管道中；85%的壓縮熱，通過冷卻介質(zhì)（油、水或風(fēng)）帶走。

由圖3可見，空壓機(jī)產(chǎn)生的熱量中，有85%是可以回收利用的，空壓機(jī)中氣冷卻器13%的熱量和油冷卻器72%的熱量是可以利用的，對這部分熱量進(jìn)行改造和回收利用，將幫助企業(yè)節(jié)省大量的熱能運(yùn)行及投資成本。

圖3 空壓機(jī)熱量利用情況

1.2 小麥制粉車間的空壓機(jī)余熱與所需熱能計算

以新建600 t/d的面粉車間為例，計算車間空壓機(jī)余熱能量、麩皮烘干和溫水潤麥所需的熱量，以及員工生活用熱情況。

1.2.1 空壓機(jī)配備情況

車間一樓空壓機(jī)房配備3臺37 kW的空壓機(jī)，總功率為111 kW，空壓機(jī)加載率80%，運(yùn)行時間為24 h，運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的熱量由自身散熱系統(tǒng)直接排放到空壓機(jī)房大氣中，到了夏季需要一個3 kW·h的風(fēng)機(jī)向室外鼓風(fēng)排放熱量。這些熱量大部分是可以被回收再利用的，它們可用于制備熱水方便員工生活所用，在確保空壓機(jī)的正常工作的同時，最大程度地降低了企業(yè)的熱源運(yùn)行成本。

管式設(shè)備熱量計算：空壓機(jī)運(yùn)行時間按每天24h，采用單油回收，按65%回收效率保守估算，入口水溫按15℃估算（根據(jù)全年平均進(jìn)水溫度估算），熱水水溫按55℃計算，結(jié)果如表1，可知該空壓站每小時回收功率為：57.7 kW。

表1 空壓機(jī)可回收熱能

1.2.2 麩皮烘干所需的熱能

處理小麥600 t/d制粉車間，麩皮出率為16%，每小時麩皮產(chǎn)量為：600×16%÷24=4 t；麩皮烘干降低1.5%水分計算，每小時降低水分：4 000×1.5%=60kg；1 kg水分蒸發(fā)需要的熱量為600大卡，加上20%的熱損耗率計算，共需要：600×60×1.2=43 200大卡，每小時需要功率數(shù)：43 200÷860=50.2 kW。

1.2.3 潤麥加溫水所需的熱能

處理小麥600 t/d制粉車間，原糧水分為10.5%～12.5%，平均按11.5%計算，入磨水分按15.5%計算，潤麥加水為4%，每小時需要加水：600×4%÷24=1 t，冬季水溫由15℃加熱到60℃，即每小時需要熱量：1×1 000×（60-15）=45 000 大卡，即耗電功率為：45 000÷860=52.3 kW。

1.2.4 冬季辦公樓及員工宿舍供暖面積

北方節(jié)能建筑，辦公室供暖熱量需求：60 W/m2，職工宿舍供暖熱量需求：40 W/m2計算，辦公樓、宿舍樓面積分別按按400 m2、500 m2計算，共需熱能：（60×400+500×40）÷1 000=44.0 kW。

1.2.5 員工洗浴生活熱水所需熱量

工廠按100人計算，每天按60%的員工洗浴計算，每人每天洗浴所需溫水為40 kg計算，共計：100×40×0.6=2 400 kg,1 kg水溫由15℃升至45℃需要熱能30大卡，工廠每天的生活熱水需要能耗：2400×30÷860=83.72 kW， 即每小時耗電：83.72÷24=3.49 kW。

1.2.6 空壓機(jī)余熱功率與需要熱量對比分析

由表2可以看出，空壓機(jī)余熱若能按計劃回收利用，麩皮烘干季節(jié)同時可以制備生活熱水，但供暖季節(jié)不能同時滿足溫水潤麥與供暖，當(dāng)單獨(dú)溫水潤麥或單獨(dú)供暖時，可以同時滿足員工生活熱水。

表2 空壓機(jī)余熱與車間生產(chǎn)及生活用熱表

2 空壓機(jī)余熱利用系統(tǒng)設(shè)計

2.1 設(shè)計目標(biāo)及范圍

（1）采用空壓機(jī)余熱回收利用系統(tǒng)降低能源消耗方式。

（2）零運(yùn)營成本制取熱水，滿足生產(chǎn)及生活的需求。

（3）空壓機(jī)余熱利用系統(tǒng)工程設(shè)計范圍：主要包含空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)、清洗池?zé)崴苽湎到y(tǒng)、相關(guān)的配電自控系統(tǒng)、管溝工程及室外管網(wǎng)系統(tǒng)。

2.2 設(shè)計原則

為貫徹落實(shí)好國家節(jié)能減排政策，使改造項(xiàng)目更好的達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，本次設(shè)計方案遵循以下原則：

（1）采用技術(shù)先進(jìn)、環(huán)保、安全可靠的工藝技術(shù)和設(shè)備，避免對周邊生態(tài)造成影響。充分發(fā)揮社會和環(huán)境效益。

（2）在設(shè)計中力求廠區(qū)布置緊湊、環(huán)境優(yōu)雅、建筑美觀，做到與廠區(qū)建設(shè)相協(xié)調(diào)，成為經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境三方的良好統(tǒng)一體。

（3）為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無人值守，并且確保設(shè)備安全、可靠、平穩(wěn)運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)行集中自動化控制。

（4）應(yīng)采取措施降低設(shè)備結(jié)垢的風(fēng)險，以保證系統(tǒng)的運(yùn)行壽命。

（5）項(xiàng)目建設(shè)目標(biāo)應(yīng)該符合國家有關(guān)行業(yè)規(guī)定和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，工程設(shè)計嚴(yán)格執(zhí)行國家相關(guān)設(shè)計規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 空壓機(jī)熱回收必須遵循的原則

（1）保證壓縮機(jī)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。

（2）保證供水的安全性和穩(wěn)定性。

（3）能量回收設(shè)備運(yùn)行，保留壓縮機(jī)原有冷卻系統(tǒng)，能量回收系統(tǒng)與原有冷卻系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行，全自動切換。

（4）能量回收設(shè)備安裝及運(yùn)行，要保證壓縮機(jī)壓力控制和單位時間排氣量正常。

（5）能量回收過程中停止原散熱系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)降低總系統(tǒng)運(yùn)行能耗，這樣可以大大地提升壓縮機(jī)多余能量的利用率。

（6）將回收回來的熱量，盡可能地將介質(zhì)加熱到最高溫度，以增加適用范圍。

（7）空氣壓縮機(jī)過低或過高溫度運(yùn)行，都將直接影響到設(shè)備的安全和能效，實(shí)時監(jiān)測和控制，以確保最佳的運(yùn)行溫度。

2.4 空壓機(jī)余熱回收管路改造

根據(jù)以上原則，設(shè)計空壓機(jī)熱回收系統(tǒng)方案。圖4為空壓機(jī)熱回收管路改造連接示意圖，圖中含油、氣雙回收方案，如果單是油回收，則不需要改造氣路，只改油路，油閥采用不銹鋼耐溫球閥，法蘭連接間采用金屬墊片。圖4中，潤滑油在氣、油分離器中分離后，將高溫的潤滑油經(jīng)過管道引出，進(jìn)入到換熱設(shè)備內(nèi)。在換熱設(shè)備內(nèi)，與水換熱后再通過油管回到空壓機(jī)機(jī)體內(nèi)，為保證空壓機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定，避免因換熱設(shè)備維護(hù)檢修等問題，在設(shè)計過程中，另外再設(shè)計一條回路即旁通管路，直接將高溫油連接到換熱設(shè)備的回油端。

圖4 空壓機(jī)余熱回收管路改造連接示意圖

3 熱能綜合利用方案

3.1 熱能綜合利用方案工藝

空壓機(jī)熱能綜合利用方案工藝見圖5。

圖5 空壓機(jī)熱能綜合利用方案工藝圖

3.2 熱水制取系統(tǒng)

空壓機(jī)熱能綜合利用方案設(shè)計為空壓機(jī)余熱加熱制備熱水，對空壓機(jī)余熱進(jìn)行節(jié)能改造利用，安裝空壓機(jī)余熱回收機(jī)組，空壓機(jī)余熱回收機(jī)組并聯(lián)安裝。為了確保空壓機(jī)運(yùn)行的安全穩(wěn)定，在空壓機(jī)余熱回收機(jī)組油路上安裝了三通調(diào)節(jié)閥，即便空壓機(jī)余熱回收設(shè)備出現(xiàn)故障，也不會影響空壓機(jī)的正常運(yùn)行?？諌簷C(jī)余熱回收機(jī)組就近空壓機(jī)安裝，盡量減少油管路的長度，降低空壓機(jī)潤滑油路系統(tǒng)的阻力，確?？諌簷C(jī)潤滑油路系統(tǒng)的正常工作。空壓機(jī)余熱回收機(jī)組與空壓機(jī)之間油管路閥門采用法蘭碟閥，油管路選擇承壓能力不小于1.6 MPa，耐溫不小于150℃的管道，安裝距離短于1 m，空壓機(jī)內(nèi)部采用耐高壓軟管，外部采用不銹鋼管焊接，超過1 m采用不銹鋼管硬管安裝，并加大油管管徑。

3.3 儲能系統(tǒng)

由于空壓機(jī)工作是間斷性的，而用熱是連續(xù)性的，為此必須把空壓機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱能儲存下來，并連續(xù)供出去。空壓機(jī)產(chǎn)生的熱能通過熱交換器直接加熱水，熱水通過循環(huán)泵的作用，不斷把熱能儲存到專用的儲水罐中，這樣保證了下道工序的熱能供應(yīng)連續(xù)性。

3.4 熱水應(yīng)用

溫水潤麥、供暖及生活熱水，直接通過循環(huán)水泵把熱水供應(yīng)到另外的熱水罐中，根據(jù)所需不同溫度自動調(diào)節(jié)，直接應(yīng)用。

3.5 熱水轉(zhuǎn)換熱風(fēng)

在麩皮、面粉烘干中，必須把高溫?zé)崴D(zhuǎn)換為熱風(fēng)，才能夠使用，儲能水罐的高溫?zé)崴谘h(huán)泵的作用下，通過管道供應(yīng)到需要熱風(fēng)的地方，熱水通過我們自主研發(fā)具有國家知識產(chǎn)權(quán)的高溫水源熱泵熱風(fēng)機(jī)，置換成熱風(fēng)，能效比在3～6，即制3 kW熱量的熱風(fēng)，只需要耗電0.5～1 kW的電，比傳統(tǒng)的電熱制備熱風(fēng)，節(jié)約成本在60%以上，出口熱風(fēng)根據(jù)干燥物需要降低的水分百分比，可在65～110℃之間自動調(diào)整，達(dá)到更節(jié)能的效果。具體工作原理為：機(jī)組在PLC的控制下，第一翅片換熱器加熱過濾凈化后的新風(fēng)，降溫后的熱水與蒸發(fā)換熱器的冷媒進(jìn)行熱量交換，冷媒經(jīng)過壓縮機(jī)后變成氣體，氣體在冷凝換熱器內(nèi)加熱導(dǎo)熱油，使導(dǎo)熱油溫達(dá)到125℃左右，導(dǎo)熱油在循環(huán)泵的作用下，經(jīng)過第二翅片換熱器加熱預(yù)熱過的新風(fēng)，使溫度達(dá)到105℃左右，熱風(fēng)在風(fēng)機(jī)的作用下與粉狀物料（面粉、麩皮）混合，通過氣流干燥系統(tǒng)干燥物料。代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電加熱或燃?xì)馊紵訜岬姆绞竭M(jìn)行物料烘干，節(jié)能、環(huán)保、安全。

3.6 節(jié)能效益對比

以15℃的冷水加熱至45℃的熱水，每噸需要30 000千卡熱量為例進(jìn)行耗能計算，對比用電、氣、熱泵等能源，經(jīng)濟(jì)對比如表3。

表3 能耗及經(jīng)濟(jì)對比

可見，在以上幾種能源中，電能直接驅(qū)動電熱水器是最貴的，液化氣和天然氣相對較便宜，電能驅(qū)動熱泵最為節(jié)約，而如能將空壓機(jī)產(chǎn)生的余熱全部回收利用，幾乎不產(chǎn)生額外的能耗。

如空壓機(jī)余熱全部利用，等于每天節(jié)約電費(fèi)：57.7×0.65×24=900.12元（表1中計算得知空壓機(jī)可回收57.7 kW·h），按年生產(chǎn)天數(shù)300 d計算，年節(jié)約電費(fèi)：900.12×300=270 036元，即間接比原來可創(chuàng)收27萬元，可大大提高制粉企業(yè)的效益。

另外，熱能回收系統(tǒng)在工作時，由于充分利用了空壓機(jī)工作時的余熱，減少了空壓機(jī)的高溫運(yùn)行狀態(tài)，使散熱系統(tǒng)的冷卻風(fēng)扇自動停止工作，一方面降低了空壓機(jī)的故障，延長了空壓機(jī)的使用壽命，另一方面也減少了干燥機(jī)的工作負(fù)荷，進(jìn)一步達(dá)到了節(jié)能效果。

空壓機(jī)余熱利用系統(tǒng)在運(yùn)行過程中不排放廢氣，空壓機(jī)的余熱得到合理利用，同時夏季也取締了空壓機(jī)房的排熱風(fēng)機(jī)，降低城市熱島效應(yīng)，每年還可為企業(yè)節(jié)省下巨額的制備熱水的費(fèi)用，環(huán)保、節(jié)能同時為空壓機(jī)降溫，原有冷卻系統(tǒng)停止運(yùn)行，為節(jié)能減排做出貢獻(xiàn)。

4 結(jié)論

本設(shè)計通過空壓機(jī)余熱利用熱泵技術(shù)，顛覆了傳統(tǒng)觀念，解決了空壓機(jī)余熱需要風(fēng)機(jī)驅(qū)動來排放、而麩皮、面粉烘干找到新熱源的問題，達(dá)到廢熱利用，減少熱污染，降低碳排放，同時也降低了企業(yè)的運(yùn)營成本，實(shí)現(xiàn)多贏的效果；該技術(shù)解決方案替代原有傳統(tǒng)技術(shù)方案，只需要把傳統(tǒng)熱源部分用新技術(shù)的設(shè)備替代即可，費(fèi)用增加不大，方便快捷；可根據(jù)實(shí)際情況在不同季節(jié)對空壓機(jī)余熱靈活利用，夏季進(jìn)行熱水熱風(fēng)轉(zhuǎn)換對麩皮、小包裝面粉進(jìn)行烘干；冬季熱水用于溫水潤麥或職工宿舍、辦公室供暖，平時多余的熱量用于職工生活用水，在滿足環(huán)保要求的同時節(jié)能降耗，做到智能控制、自動切換。